機械課程設計優(yōu)秀心得體會(huì )
一、設計目的
數字鐘是一種用數字電路技術(shù)實(shí)現時(shí)、分、秒計時(shí)的裝置，與機械式時(shí)鐘相比具有更高的準確性和直觀(guān)性，且無(wú)機械裝置，具有更更長(cháng)的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。
數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，其中包括了組合邏輯電路和時(shí)序電路。
因此，我們此次設計與制做數字鐘就是為了了解數字鐘的原理，從而學(xué)會(huì )制作數字鐘。而且通過(guò)數字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規模集成電路的作用及實(shí)用方法。且由于數字鐘包括組合邏輯電路和時(shí)敘電路。通過(guò)它可以進(jìn)一步學(xué)習與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法。
二、設計要求
�。�1）設計指標
�、贂r(shí)間以12小時(shí)為一個(gè)周期；
�、陲@示時(shí)、分、秒；
�、劬哂行r(shí)功能，可以分別對時(shí)及分進(jìn)行單獨校時(shí)，使其校正到標準時(shí)間；
�、苡嫊r(shí)過(guò)程具有報時(shí)功能，當時(shí)間到達整點(diǎn)前10秒進(jìn)行蜂鳴報時(shí)；
�、轂榱吮ＷC計時(shí)的穩定及準確須由晶體振蕩器提供表針時(shí)間基準信號。
�。�2）設計要求
�、佼�(huà)出電路原理圖（或仿真電路圖）；
�、谠骷皡颠x擇；
�、垭娐贩抡媾c調試；
�、躳cb文件生成與打印輸出。
�。�3）制作要求自行裝配和調試，并能發(fā)現問(wèn)題和解決問(wèn)題。
�。�4）編寫(xiě)設計報告寫(xiě)出設計與制作的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì )。
三、原理框圖
1．數字鐘的構成
數字鐘實(shí)際上是一個(gè)對標準頻率（1hz）進(jìn)行計數的計數電路。由于計數的起始時(shí)間不可能與標準時(shí)間（如北京時(shí)間）一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標準的1hz時(shí)間信號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。
�。╝）數字鐘組成框圖
2．晶體振蕩器電路
晶體振蕩器電路給數字鐘提供一個(gè)頻率穩定準確的32768hz的方波信號，可保證數字鐘的走時(shí)準確及穩定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。一般輸出為方波的數字式晶體振蕩器電路通常有兩類(lèi)，一類(lèi)是用ttl門(mén)電路構成；另一類(lèi)是通過(guò)cmos非門(mén)構成的電路，本次設計采用了后一種。如圖（b）所示，由cmos非門(mén)u1與晶體、電容和電阻構成晶體振蕩器電路，u2實(shí)現整形功能，將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電阻r1為非門(mén)提供偏置，使電路工作于放大區域，即非門(mén)的功能近似于一個(gè)高增益的反相放大器。電容c1、c2與晶體構成一個(gè)諧振型網(wǎng)絡(luò )，完成對振蕩頻率的控制功能，同時(shí)提供了一個(gè)180度相移，從而和非門(mén)構成一個(gè)正反饋網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩定性及準確性，從而保證了輸出頻率的穩定和準確。
�。╞）cmos晶體振蕩器（仿真電路）
3．時(shí)間記數電路
一般采用10進(jìn)制計數器如74hc290、74hc390等來(lái)實(shí)現時(shí)間計數單元的計數功能。本次設計中選擇74hc390。由其內部邏輯框圖可知，其為雙2—5—10異步計數器，并每一計數器均有一個(gè)異步清零端（高電平有效）。
秒個(gè)位計數單元為10進(jìn)制計數器，無(wú)需進(jìn)制轉換，只需將qa與cpb（下降沿有效）相連即可。cpa（下降沒(méi)效）與1hz秒輸入信號相連，q3可作為向上的進(jìn)位信號與十位計數單元的cpa相連。
秒十位計數單元為6進(jìn)制計數器，需要進(jìn)制轉換。將10進(jìn)制計數器轉換為6進(jìn)制計數器的電路連接方法如圖2。4所示，其中q2可作為向上的進(jìn)位信號與分個(gè)位的計數單元的cpa相連。
十進(jìn)制—六進(jìn)制轉換電路
分個(gè)位和分十位計數單元電路結構分別與秒個(gè)位和秒十位計數單元完全相同，只不過(guò)分個(gè)位計數單元的q3作為向上的進(jìn)位信號應與分十位計數單元的cpa相連，分十位計數單元的q2作為向上的進(jìn)位信號應與時(shí)個(gè)位計數單元的cpa相連。
時(shí)個(gè)位計數單元電路結構仍與秒或個(gè)位計數單元相同，但是要求，整個(gè)時(shí)計數單元應為12進(jìn)制計數器，不是10的整數倍，因此需將個(gè)位和十位計數單元合并為一個(gè)整體才能進(jìn)行12進(jìn)制轉換。利用1片74hc390實(shí)現12進(jìn)制計數功能的電路如圖（d）所示。
�。╠）十二進(jìn)制電路
另外，圖（d）所示電路中，尚余－2進(jìn)制計數單元，正好可作為分頻器2hz輸出信號轉化為1hz信號之用。
4．譯碼驅動(dòng)及顯示單元電路
選擇cd4511作為顯示譯碼電路；選擇led數碼管作為顯示單元電路。由cd4511把輸進(jìn)來(lái)的二進(jìn)制信號翻譯成十進(jìn)制數字，再由數碼管顯示出來(lái)。這里的led數碼管是采用共陰的方法連接的。
計數器實(shí)現了對時(shí)間的累計并以8421bcd碼的形式輸送到cd4511芯片，再由4511芯片把bcd碼轉變?yōu)槭M(jìn)制數碼送到數碼管中顯示出來(lái)。
5．校時(shí)電路
數字鐘應具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應截斷分個(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計數通路，并采用正常計時(shí)信號與校正信號可以隨時(shí)切換的電路接入其中。即為用coms與或非門(mén)實(shí)現的時(shí)或分校時(shí)電路，in1端與低位的進(jìn)位信號相連；in2端與校正信號相連，校正信號可直接取自分頻器產(chǎn)生的1hz或2hz（不可太高或太低）信號；輸出端則與分或時(shí)個(gè)位計時(shí)輸入端相連。當開(kāi)關(guān)打向下時(shí)，因為校正信號和0相與的輸出為0，而開(kāi)關(guān)的另一端接高電平，正常輸入信號可以順利通過(guò)與或門(mén)，故校時(shí)電路處于正常計時(shí)狀態(tài)；當開(kāi)關(guān)打向上時(shí)，情況正好與上述相反，這時(shí)校時(shí)電路處于校時(shí)狀態(tài)。
實(shí)際使用時(shí)，因為電路開(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)問(wèn)題，所以一般會(huì )接一個(gè)rs觸發(fā)器構成開(kāi)關(guān)消抖動(dòng)電路，所以整個(gè)較時(shí)電路就如圖（f）。
�。╢）帶有消抖電路的校正電路
6．整點(diǎn)報時(shí)電路
電路應在整點(diǎn)前10秒鐘內開(kāi)始整點(diǎn)報時(shí)，即當時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報時(shí)電路報時(shí)控制信號。
當時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數器十位的qc和qa、個(gè)位的qd和qa及秒計數器十位的qc和qa相與，從而產(chǎn)生報時(shí)控制信號。
報時(shí)電路可選74hc30來(lái)構成。74hc30為8輸入與非門(mén)。
四、元器件
1．四連面包板1塊（編號a45）
2．鑷子1把
3．剪刀1把
4．共陰八段數碼管6個(gè)
5．網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)2米/人
6．cd4511集成塊6塊
7．cd4060集成塊1塊
8．74hc390集成塊3塊
9．74hc51集成塊1塊
10．74hc00集成塊4塊
11．74hc30集成塊1塊
12．10mω電阻5個(gè)
13．500ω電阻14個(gè)
14．30p電容2個(gè)
15．32。768k時(shí)鐘晶體1個(gè)
16．蜂鳴器10個(gè)（每班）
1）芯片連接圖
1）74hc00d2）cd4511
3）74hc390d4）74hc51d
2．面包板的介紹
面包板一塊總共由五部分組成，一豎四橫，面包板本身就是一種免焊電板。
面包板的樣式是：
面包板的注意事項：
1．面包板旁一般附有香蕉插座，用來(lái)輸入電壓、信號及接地。
2．上圖中連著(zhù)的黑線(xiàn)表示插孔是相通的.。
3．拉線(xiàn)時(shí)，盡量將線(xiàn)緊貼面包板，把線(xiàn)成直角，避免交叉，也不要跨越元件。
4．面包板使用久后，有時(shí)插孔間連接銅線(xiàn)會(huì )發(fā)生脫落現象，此時(shí)要將此排插孔做記號。并不再使用。
五、各功能塊電路圖
數字鐘從原理上講是一種典型的數字電路，可以由許多中小規模集成電路組成，所以可以分成許多獨立的電路。
�。ㄒ唬┝M(jìn)制電路
由74hc390、7400、數碼管與4511組成，電路如圖一。
�。ǘ┦M(jìn)制電路
由74hc390、7400、數碼管與4511組成，電路如圖二。
�。ㄈ┝M(jìn)制電路
由兩個(gè)數碼管、兩4511、一個(gè)74hc390與一個(gè)7400芯片組成，電路如圖三。
�。ㄋ模╇p六十進(jìn)制電路
由2個(gè)六十進(jìn)制連接而成，把分個(gè)位的輸入信號與秒十位的qc相連，使其產(chǎn)生進(jìn)位，電路圖如圖四。
�。ㄎ澹⿻r(shí)間計數電路
由1個(gè)十二進(jìn)制電路、2個(gè)六十進(jìn)制電路組成，因上面已有一個(gè)雙六十電路，只要把它與十二進(jìn)制電路相連即可，詳細電路見(jiàn)圖五。
�。┬Ｕ娐�
由74ch51d、74hc00d與電阻組成，校正電路有分校正和時(shí)校正兩部分，電路如圖六。
�。ㄆ撸┚w振蕩電路
由晶體與2個(gè)30pf電容、1個(gè)4060、一個(gè)10兆的電阻組成，芯片3腳輸出2hz的方波信號，電路如圖七。
�。ò耍┱c(diǎn)報時(shí)電路
由74hc30d和蜂鳴器組成，當時(shí)間在59：50到59：59時(shí)，蜂鳴報時(shí)，電路如圖八。
六、總接線(xiàn)元件布局簡(jiǎn)圖
整個(gè)數字鐘由時(shí)間計數電路、晶體振蕩電路、校正電路、整點(diǎn)報時(shí)電路組成。
其中以校正電路代替時(shí)間計數電路中的時(shí)、分、秒之間的進(jìn)位，當校時(shí)電路處于正常輸入信號時(shí)，時(shí)間計數電路正常計時(shí)，但當分校正時(shí)，其不會(huì )產(chǎn)生向時(shí)進(jìn)位，而分與時(shí)的校位是分開(kāi)的，而校正電路也是一個(gè)獨立的電路。
電路的信號輸入由晶振電路產(chǎn)生，并輸入各電路。
簡(jiǎn)圖如圖九。
七、芯片連接總圖
因仿真與實(shí)際元件上的差異，所以在原有的簡(jiǎn)圖的基礎上，又按實(shí)際布局畫(huà)了這張按實(shí)際芯片布局的接線(xiàn)圖，如圖十。
八、總結
1．實(shí)驗過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法
�、倜姘鍦y試
測試面包板各觸點(diǎn)是否接通。
�、谄叨物@示器與七段譯碼器的測量
把顯示器與cd4511相連，第一次接時(shí)，數碼管完全沒(méi)有顯示數字，檢查后發(fā)現是數碼管未接地而造成的，接地后發(fā)現還是無(wú)法正確顯示數字，用萬(wàn)用表檢測后，發(fā)現是因芯片引腳有些接觸不良而造成的，所以確認芯片是否接觸良好是非常重要的一件事。
�、蹠r(shí)間計數電路的連接與測試
六進(jìn)制、十進(jìn)制都沒(méi)有什么大的問(wèn)題，只是芯片引腳的老問(wèn)題，只要重新插過(guò)芯片就可以解決了。但在六十進(jìn)制時(shí)，按圖接線(xiàn)后發(fā)現，顯示器上的數字總是100進(jìn)制的，而不是六十進(jìn)制，檢測后發(fā)現無(wú)論是線(xiàn)路的連通還是芯片的接觸都沒(méi)有問(wèn)題。最后，在重對連線(xiàn)時(shí)發(fā)現是線(xiàn)路接錯引腳造成的，改過(guò)之后，顯示就正常了。
�、苄Ｕ娐�
因上面程因引腳接錯而造成錯誤，所以校正電路是完全按照仿真圖所連的，在測試時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行時(shí)校時(shí)時(shí)，沒(méi)有出現問(wèn)題，但當進(jìn)行到分校時(shí)時(shí)，發(fā)現計數電路的秒電路開(kāi)始亂跳出錯。因此，電路一定是有地方出錯了，在反復對照后，發(fā)現是因為在接入校正電路時(shí)忘了把秒十位和分個(gè)位之間的連線(xiàn)拿掉而造成的，因此，在接線(xiàn)時(shí)一定要注意把不要的多余的線(xiàn)拿掉。
2．設計體會(huì )
通過(guò)這次對數字鐘的設計與制作，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數字鐘的原理與設計理念，要設計一個(gè)電路總要先用仿真仿真成功之后才實(shí)際接線(xiàn)的。但是最后的成品卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因為，再實(shí)際接線(xiàn)中有著(zhù)各種各樣的條件制約著(zhù)。而且，在仿真中無(wú)法成功的電路接法，在實(shí)際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時(shí)應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。
通過(guò)這次學(xué)習，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說(shuō)，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應該自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì )有深刻理解。
3．對設計的建議
我希望老師在我們動(dòng)手制作之前應先告訴我們一些關(guān)于所做電路的資料、原理，以及如何檢測電路的方法，還有關(guān)于檢測芯片的方法。這樣會(huì )有助于我們進(jìn)一步的進(jìn)入狀況，完成設計。
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